一种三轴加工切屑几何与切削力集成建模方法技术

本发明专利技术一种三轴加工切屑几何与切削力集成建模方法，首先给出一种分层方法求解加工中未变形切屑形状和工件实时模型，并精确计算未变形切屑厚度，然后采用一种应用广泛的切削力预测模型进行加工中瞬时切削力的预测。最后进行系统计算和加工实验，并做数据分析和比对。达到同时表达加工中工件几何形状及未变形切屑形状，并预测加工中瞬时切削力的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种三轴加工切屑几何与切削力集成建模方法
本专利技术属于多轴数控加工的
，涉及到三轴加工切屑几何与切削力集成建模的问题。
技术介绍
在制造业飞速发展的今天，数控加工技术不断应用于各种制造活动中。对于制造活动而言，零件的成形精度和制造质量是评价加工质量合格与否的标准，而数控仿真技术在这其中扮演了重要的角色。数控加工仿真技术的方式有几何仿真和物理仿真两种。几何仿真是机械加工的前提，它是对刀具运动的仿真，单从几何角度考虑，验证数控程序是否正确。而物理仿真是对加工本质的揭示，考虑切削参数和切削力等物理因素，对切削过程中的力、热、振动等进行分析与计算。我们可以通过数控仿真对切削参数进行优化，从而使切削过程更为高效。在现有的研究中，更多的是单独从几何仿真或物理仿真的角度出发，并未将二者进行有效地集成。在几何仿真方面，模型精度和仿真速度的提高，以及模型的通用性，一直是研究的热点问题。而在物理仿真方面，现在的研究多以平均切削力的计算为研究内容，而不是瞬时切削力，从而无法很好地模拟动态的切削过程。为了解决上述问题，本文将提出一种基于切屑几何模型和切削力模型的集成模型，达到同时表达加工中工件几何形状及未变形切屑形状，并预测加工中瞬时切削力的目的。
技术实现思路
本专利技术需要解决的技术问题是：给出一种分层方法求解加工中未变形切屑形状和工件实时模型，并精确计算未变形切屑厚度，最后采用一种应用广泛的切削力预测模型进行加工中瞬时切削力的预测，解决三轴加工中几何仿真和物理仿真相结合的问题。本专利技术的技术方案是：一种三轴加工切屑几何与切削力集成建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：刀具和工件建模子步骤1)通用刀具建模，完成通用刀具截面形状的参数化表达；其中对于刀轴方向上某一高度l所对应的切削圆半径r(l)可由下式表达：其中，l1＝lR-R2·cosα和l2＝lR-R2·sinβ；α表示下锥面与水平向的夹角、l1表示下锥面的高度、R1表示圆弧段圆心到刀轴间的距离、R2表示圆弧段的半径、lR表示圆弧段圆心到刀底的距离、l2表示圆弧段顶端到底端的距离、β表示上锥面与竖直方向的夹角。子步骤2)工件建模，用分层思想对工件进行建模。即假定有一系列垂直于刀轴，且以ΔL为偏移距离的平行平面，用这些平面去切工件，将两个平面之间的工件称之为一层。用这些二维的层来表示三维工件。步骤二：求解局部坐标系下切削圆表达式，包括以下子步骤：子步骤1)：建立局部坐标系局部坐标系到工件坐标系的坐标变换矩阵为：其中，γ表示局部坐标系x轴与工件坐标系X之间的夹角、X1，Y1，Z1分别表示局部坐标系三个轴与工件坐标系三个轴各自的偏移距离。子步骤2)在局部坐标系下，取工件的某层称之为层Π，根据层Π被刀具下锥面切削、层Π被刀具圆环面切削和层Π被刀具上锥面切削这三种情况，分别求解给定某层Π的切削圆半径；第一种：当0≤zΠ≤l1且α＞0时，刀尖点位于z，层Π上的切削圆半径为：第二种：当l1＜zΠ≤l2且α＞0时，刀尖点位于z，层Π上的切削圆半径为：第三种：当l2＜zΠ且α＞0时，刀尖点位于z，层Π上的切削圆半径为：其中，z表示刀尖点位置、zΠ表示层Π在局部坐标系下的z轴坐标。z2表示第二个刀位点在局部坐标系下的z坐标。子步骤3)：根据子步骤2)中所得到的切削圆半径，求出刀尖点在局部坐标系下的切削圆表达式；其中，θ∈[0,2π]，z∈[0,z2]，x2、z2分别表示在局部坐标系下第二个刀位点的坐标。步骤三：根据步骤二中求得的切削圆表达式，结合现有包络理论，求出切削圆包络E：步骤四：结合步骤三中切削圆包络的表达式，精确计算瞬时切削力和瞬时材料去除率，包括以下子步骤：子步骤1)：计算在局部坐标系z轴每个刀步间的增量为：其中，NR表示在一个刀步中刀具旋转的圈数、ns表示刀轴转速、fT表示进给率。因此，第i个刀步所对应的的z值为：zi＝Δz·i(9)子步骤2)：在局部坐标系下求解切削角φj(z,t)＝φ(t)+j·φp-ψ(z)(10)其中，j＝1,2，…，NE，NE为刀具切削刃数、ψ(z)为滞后角函数、φp＝2π/NE为齿间角、φ(t)＝(2π·ns·t)/60为在加工中的t时，参考点的切削角。子步骤3)：在局部坐标系下求解未变形切屑几何厚度其中，φ啮合角、δ(φ)角度φ时层Π上的切屑厚度、ω为水平方向与切削表面法向方向的夹角。其可以表示为：子步骤4)：采用线性切削力预测模型，计算切削盘上的切向力ΔFt,j，径向力ΔFr,j和轴向力ΔFa,j可由下式计算得到：ΔFt,j(z)＝[ktc·hj(φj(z))+kte]·ΔLΔFr,j(z)＝[krc·hj(φj(z))+kre]·ΔL(13)ΔFa,j(z)＝[kac·hj(φj(z))+kae]·ΔL其中，hj(φj(z))为未变形切屑厚度，ΔL为工件层厚度，ktc,krc,kac分别为材料在切向、径向和轴向的的剪切系数，kte,kre,kae为对应的边缘系数；由此能够推导出层Π在x，y，z方向上的切削力：ΔFx,j(z)＝-ΔFt,j·cos(φj(z))-(ΔFr,j·cos(ω(z))-ΔFa,j·sin(ω(z)))·sin(φj(z))ΔFy,j(z)＝ΔFt,j·sin(φj(z))-(ΔFr,j·cos(ω(z))-ΔFa,j·sin(ω(z)))·cos(φj(z))(14)ΔFz,j(z)＝ΔFr,j·sin(ω(z))+ΔFa,j·cos(ω(z))专利技术效果本专利技术的技术效果在于：达到同时表达加工中工件几何形状及未变形切屑形状，并预测加工中瞬时切削力的目的。附图说明图1为通用刀具截面的参数化表达。图2为一个刀步内工件材料的去除过程。图3为层Π上工件初始二维轮廓。图4为工件坐标系(X,Y,Z)与局部坐标系(x，y，z)的关系。图5为局部坐标系下切削圆轮廓的表示。图6为切削力模型原理。图7为计算为变形切屑厚度图解。图8左为加工的工件模型图9左为工件处于位置1时切屑形状，右为预测的和测量的瞬时切削力。图10左为工件处于位置2时切屑形状，右为预测的和测量的瞬时切削力。图11左为工件处于位置3时切屑形状，右为预测的和测量的瞬时切削力。图12为一个刀具旋转周期内的预测的合成力与实验值的误差。具体实施方式下面结合具体实施实例，对本专利技术技术方案进一步说明。本专利技术首先给出一种分层方法求解加工中未变形切屑形状和工件实时模型，并精确计算未变形切屑厚度，然后采用一种应用广泛的切削力预测模型进行加工中瞬时切削力的预测。最后进行系统计算和加工实验，并做数据分析和比对。步骤1：通用刀具的参数化表达，将加工中各类常见刀具的截面线统一划分为直线段和圆弧段，采用一种7参数表示法，给出对应参数的定义，然后根据不同刀具的截面形状设置不同的参数，从而完成通用刀具截面形状的统一表达。步骤2：求解刀具加工过程中形成的包络和未变形切屑的几何形状，给出局部坐标系下切削圆的数学表达式，通过坐标变换，对应得到工件坐标系下的切削圆表示式。然后将工件模型进行分层，根据包络理论，求解出某一工件层对应的顶部平面上，一个刀步内一组切削圆的包络轮廓，从而获得该刀步切削后该平面上的工件二维轮廓以及该刀步内未变形切屑的二维轮廓。步骤3：通过分层的建模方法将工件三维实体模型转化为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三轴加工切屑几何与切削力集成建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：刀具和工件建模子步骤1)通用刀具建模，完成通用刀具截面形状的参数化表达；其中对于刀轴方向上某一高度l所对应的切削圆半径r(l)可由下式表达：其中，l1＝lR‑R2·cosα和l2＝lR‑R2·sinβ；α表示下锥面与水平向的夹角、l1表示下锥面的高度、R1表示圆弧段圆心到刀轴间的距离、R2表示圆弧段的半径、lR表示圆弧段圆心到刀底的距离、l2表示圆弧段顶端到底端的距离、β表示上锥面与竖直方向的夹角；子步骤2)工件建模，用分层思想对工件进行建模；即假定有一系列垂直于刀轴，且以ΔL为偏移距离的平行平面，用这些平面去切工件，将两个平面之间的工件称之为一层；用这些二维的层来表示三维工件；步骤二：求解局部坐标系下切削圆表达式，包括以下子步骤：子步骤1)：建立局部坐标系局部坐标系到工件坐标系的坐标变换矩阵为：其中，γ表示局部坐标系x轴与工件坐标系X之间的夹角、X1，Y1，Z1分别表示局部坐标系三个轴与工件坐标系三个轴各自的偏移距离；子步骤2)在局部坐标系下，取工件的某层称之为层Π，根据层Π被刀具下锥面切削、层Π被刀具圆环面切削和层Π被刀具上锥面切削这三种情况，分别求解给定某层Π的切削圆半径；第一种：当0≤zΠ≤l1且α＞0时，刀尖点位于z，层Π上的切削圆半径为：第二种：当l1＜zΠ≤l2且α＞0时，刀尖点位于z，层Π上的切削圆半径为：第三种：当l2＜zΠ且α＞0时，刀尖点位于z，层Π上的切削圆半径为：其中，z表示刀尖点位置、zΠ表示层Π在局部坐标系下的z轴坐标；z2表示第二个刀位点在局部坐标系下的z坐标；子步骤3)：根据子步骤2)中所得到的切削圆半径，求出刀尖点在局部坐标系下的切削圆表达式；其中，θ∈[0,2π]，z∈[0,z2]，x2、z2分别表示在局部坐标系下第二个刀位点的坐标；步骤三：根据步骤二中求得的切削圆表达式，结合现有包络理论，求出切削圆包络E：步骤四：结合步骤三中切削圆包络的表达式，精确计算瞬时切削力和瞬时材料去除率，包括以下子步骤：子步骤1)：计算在局部坐标系z轴每个刀步间的增量为：其中，NR表示在一个刀步中刀具旋转的圈数、ns表示刀轴转速、fT表示进给率；因此，第i个刀步所对应的的z值为：zi＝Δz·i   (9)子步骤2)：在局部坐标系下求解切削角φj(z,t)＝φ(t)+j·φp‑ψ(z)   (10)其中，j＝1,2，…，NE，NE为刀具切削刃数、ψ(z)为滞后角函数、φp＝2π/NE为齿间角、φ(t)＝(2π·ns·t)/60为在加工中的t时，参考点的切削角；子步骤3)：在局部坐标系下求解未变形切屑几何厚度其中，φ啮合角、δ(φ)角度φ时层Π上的切屑厚度、ω为水平方向与切削表面法向方向的夹角；其可以表示为：子步骤4)：采用线性切削力预测模型，计算切削盘上的切向力ΔFt,j，径向力ΔFr,j和轴向力ΔFa,j可由下式计算得到：ΔFt,j(z)＝[ktc·hj(φj(z))+kte]·ΔLΔFr,j(z)＝[krc·hj(φj(z))+kre]·ΔL   (13)ΔFa,j(z)＝[kac·hj(φj(z))+kae]·ΔL其中，hj(φj(z))为未变形切屑厚度，ΔL为工件层厚度，ktc,krc,kac分别为材料在切向、径向和轴向的的剪切系数，kte,kre,kae为对应的边缘系数；由此能够推导出层Π在x，y，z方向上的切削力：ΔFx,j(z)＝‑ΔFt,j·cos(φj(z))‑(ΔFr,j·cos(ω(z))‑ΔFa,j·sin(ω(z)))·sin(φj(z))ΔFy,j(z)＝ΔFt,j·sin(φj(z))‑(ΔFr,j·cos(ω(z))‑ΔFa,j·sin(ω(z)))·cos(φj(z))   (14) ΔFz,j(z)＝ΔFr,j·sin(ω(z))+ΔFa,j·cos(ω(z)) 。...

【技术特征摘要】
1.一种三轴加工切屑几何与切削力集成建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：刀具和工件建模子步骤1)通用刀具建模，完成通用刀具截面形状的参数化表达；其中对于刀轴方向上某一高度l所对应的切削圆半径r(l)可由下式表达：其中，l1＝lR-R2·cosα和l2＝lR-R2·sinβ；α表示下锥面与水平向的夹角、l1表示下锥面的高度、R1表示圆弧段圆心到刀轴间的距离、R2表示圆弧段的半径、lR表示圆弧段圆心到刀底的距离、l2表示圆弧段顶端到底端的距离、β表示上锥面与竖直方向的夹角；子步骤2)工件建模，用分层思想对工件进行建模；即假定有一系列垂直于刀轴，且以ΔL为偏移距离的平行平面，用这些平面去切工件，将两个平面之间的工件称之为一层；用这些二维的层来表示三维工件；步骤二：求解局部坐标系下切削圆表达式，包括以下子步骤：子步骤1)：建立局部坐标系局部坐标系到工件坐标系的坐标变换矩阵为：其中，γ表示局部坐标系x轴与工件坐标系X之间的夹角、X1，Y1，Z1分别表示局部坐标系三个轴与工件坐标系三个轴各自的偏移距离；子步骤2)在局部坐标系下，取工件的某层称之为层Π，根据层Π被刀具下锥面切削、层Π被刀具圆环面切削和层Π被刀具上锥面切削这三种情况，分别求解给定某层Π的切削圆半径；第一种：当0≤zΠ≤l1且α＞0时，刀尖点位于z，层Π上的切削圆半径为：第二种：当l1＜zΠ≤l2且α＞0时，刀尖点位于z，层Π上的切削圆半径为：第三种：当l2＜zΠ且α＞0时，刀尖点位于z，层Π上的切削圆半径为：其中，z表示刀尖点位置、zΠ表示层Π在局部坐标系下的z轴坐标；z2表示第二个刀位点在局部坐标系下的z坐标；子步骤3)：根据子步骤2)中所得到的切削圆半径，求出刀尖点在局部坐标系下的切削圆表达式；其中，θ∈[0,2π]，z∈[0,z2]，x2、z2分别表示在局部坐标系下第二个刀位点的坐标；步骤三：根据步骤二中求得的切削圆表达...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈泽忠，张扬，常智勇，蒋超锋，苗春生，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61